高精度事件计时器的设计与实现

　　1　引　言

　　卫星激光测距(SLR)是卫星精密定位观测的主要手段之一,其原理是通过测量激光脉冲从地面观测点到卫星的往返时间间隔来计算得到卫星离地面观测站的距离。时间测量精度越高,对目标的定位能力越强。通常,有两种时间间隔测量原理,即时间间隔计数原理和事件测时原理[1]。传统的卫星激光测距系统中,采用时间间隔计数原理来测量激光脉冲飞行时间,只能对时间间隔逐个进行测量,即主波开门,回波关门,完成一次测距。因此,测量频率受到卫星距离的限制[2]。现代激光测距的特点除了高测量精度外,还有高测量频率(如千赫兹测距)和远测量距离(如激光测月)。在前一个激光发射脉冲的回波还未回到地面观测站前已有多个激光发射脉冲发射出去,所以常规的时间间隔测量仪器已不再适用,需要研制事件计时器。国际上已研制出皮秒级精度的事件计时器,而国内目前对事件计时器的研究较少。本文基于时间数字转换(TDC)和现场可编程门阵列(FPGA)技术,研究事件计时器的实现原理及其具体设计方法。

　　2　测量原理及设计实现

　　时间间隔测量有其本身的特殊性,即测量时间间隔所需的时间本身也是时间间隔[3],所以测量速度受到卫星距离的限制。事件计时器的引入能很好地解决这个问题。其测量时间间隔的原理是把主波和回波都视为单个事件,精确记录每个事件发生的时刻,然后根据卫星或月球的预报轨道推算出激光脉冲往返时间间隔,利用计算机识别相关的主波和回波各自的时刻,两个时刻之差即为所测量的时间间隔值。

　　2.1测量事件发生时刻的原理

　　测量事件发生时刻的原理如图1所示,其中Tepo为事件发生(用信号上升沿表示)的时刻,如果时钟的周期为T,则

　　传统数字法时间间隔测量的测时误差主要为开始和结束2个脉冲周期的计数误差[4],最大总计数误差为1个脉冲周期。如果能减小脉冲周期和分别测出开始和结束2个脉冲周期中多计或少计的微小时间间隔,那么能大大提高时间间隔计数器的测量精度。同理,在此减小时钟周期T与精确测出微小时间间隔Δt1可提高事件计时器的测量精度。

　　设计中,时钟信号通过对高精度、高稳定度时钟提供的10 MHz信号倍频后获得,微小时间间隔由ΤDC芯片来测量,采用德国ACAM公司研发的TDC-GPX芯片。

　　2.2TDC-GPX芯片测量微小时间间隔的原理

　　TDC-GPX是一种多功能的高端时间数字转换器,利用简单逻辑门(如反相器)的传播延迟来精密量化时间间隔。由于在信号速度尤其是CMOS部分上的巨大成果,使利用标准CMOS技术的TDC测量皮秒精度范围成为可能。芯片TDC-GPX测量开始信号到结束信号之间的时间间隔的原理如图2所示[5,6]。